CC BY
91
УДК 622.692.2.07
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-5-6-32-42
АНАЛИЗ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ
ANALYSIS OF SYSTEMS FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF VERTICAL STEEL TANKS
Киселев М.А., Каримов И.Р., Дусалимов М.Э., Хасанов И.И., Кантемиров И.Ф.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4079-1209, E-mail: kisel.max.don@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7307-4623, E-mail: ikarimov16@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4037-6489, E-mail: marsst@list.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: ilnur.mt@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2205-7433, E-mail: ikant@mail.ru
Резюме: Статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме повышения эксплуатационной безопасности путем своевременного выявления дефектов РВС. Предложена классификация систем мониторинга технического состояния резервуаров. В качестве решения предлагается автоматизированная система контроля технического состояния резервуара,состоящая из различных датчиков (тензорезисторов, лазеров), анализирующих параметры стенки резервуара. Предложенная система позволит выявлять дефекты на ранних этапах их зарождения.
Ключевые слова: резервуар вертикальный стальной, мониторинг технического состояния, непрерывный контроль, дефект.
Для цитирования: Киселев М.А., Каримов И.Р., Дусалимов М.Э, Хасанов И.И, Кантемиров И.Ф. Анализ систем мониторинга технического состояния вертикальных стальных резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 5-6. С. 32-42.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-5-6-32-42
Kiselev Maxim A., Karimov Ilyas R., Dusalimov Marsel E., Khasanov Ilnur I., Kantemirov Igor F.
Ufa State Petroleum Technical University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4079-1209, E-mail: kisel.max.don@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7307-4623, E-mail: ikarimov16@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4037-6489, E-mail: marsst@list.ru 0RCID:https://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: ilnur.mt@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2205-7433, E-mail: ikant@mail.ru
Abstract: The article is devoted to the current problem of improving operational safety by timely detection of defects in vertical steel tanks. The classification of methods of automated control of the technical condition of the reservoirs is proposed. As a solution, a system for monitoring the technical condition of the tank is proposed, consisting of various sensors (strain gages, lasers) that analyze the parameters of the tank wall. The proposed system will allow detecting defects at the early stages of their origin.
Keywords: vertical steel tank, technical condition monitoring, continuous monitoring, defect.
For citation: Kiselev M.A., Karimov I.R., Dusalimov M.E., Khasanov I.I., Kantemirov I.F. ANALYSIS OF MONITORING SYSTEMS FOR THE TECHNICAL CONDITION OF VERTICAL STEEL TANKS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2022, no. 5-6, pp. 32-42.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-5-6-32-42
Резервуар, предназначенный для хранения углеводородного сырья или продуктов его переработки, по своей природе является наиболее опасным производственным объектом, входящим в состав станций, заводов и других объектов. Хранимые продукты опасны как из-за их воздействия давлением, так и из-за их горючести. Пожары, разливы продуктов не только могут привести к экономическим проблемам, но и нанести значительный ущерб экологии и самому человеку [1, 2].
Большое количество крупных аварий и в нашей стране, и в разных уголках Европы, а также Японии стало причиной повышенного внимания к проблеме, связанной с увеличением надежности эксплуатируемых резервуаров различных типов, предназначенных для хранения нефти и нефтепродуктов.
Достаточно много резервуаров, построенных еще в советское время, износ которых оценивается в 60-80% эксплуатируется и по сей день. Данное обстоятельство увеличивает вероятность появления аварийных ситуаций. Исходя из статистики, интенсивность возникновения аварий за последние 30 лет с каждым годом увеличивается.Для предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций
следует проводить непрерывное диагностирование всех элементов резервуара.
По самым грубым подсчетам, на территории России и стран СНГ в эксплуатации находится около 40 тыс. резервуаров, используемых для хранения нефти и нефтепродуктов. Стандартные методы проведения диагностики требуют довольно больших затрат времени.
Полное техническое диагностирование, регламентируемое [3], проводится с полным выводом резервуара из эксплуатации с последующей его дегазацией и очисткой внутренней поверхности стенки, днища. Все эти операции требуют существенных затрат человеко-часов. Как правило, оценка состояния поверхностей всех несущих конструкций проводится также вручную с применением большого количества измерительных устройств, что становится причиной значительных затрат на проведения данных мероприятий.
Решением данной проблемы могут служить комплексы устройств по обеспечению мониторинга технического состояния резервуара, которые позволяют ускорить этот процесс.
Анализируя нормативно-техническую документацию по данному вопросу, во-первых, следует рассмотреть положения, представленные в [3]. Как уже было упомянуто ранее, наиболее существенным недостатком данного документа является слишком большой интервал времени между периодами проведения диагностики. Не учитывается необходимость более частого анализа для резервуаров, эксплуатируемых несколько десятилетий.
В приведенном документе основной задачей ставится описание методик проведения диагностики резервуара: проверка остаточной толщины стенки, днища, крыши; анализ геометрических дефектов несущих конструкций и фундаментов.
Как правило, все работы проводятся специализированным персоналом, но отсутствует автоматизация процесса, что значительно увеличивает сроки проведения работ. Также нормативная документация допускает проведение полной технической диагностики (при положительных результатах частичной на всех резервуарах группы) только на РВС представителе группы. Однако это допущение может в дальнейшем привести к каким-либо последствиям при отсутствии систем, позволяющих следить за состоянием резервуара «в прямом эфире».
Установка на резервуарах систем мониторинга технического состояния, работающих в автономном режиме, позволит значительно упросить процесс выявления потенциально опасных резервуаров посредством выявления аномалий, не свойственных резервуарам, находящимся в работоспособном состоянии [4].
В работе [5] рассматриваются методы и средства определения деформаций, напряжений и перемещений, вызываемых различными нагрузками. Автором представлены преимущества и недостатки приведенных методов. Рассматриваются подходы к оценке технического состояния резервуара, исключая при этом вопросы, связанные с оценкой фундамента и оснований.
В дефектоскопии на данный момент широко применяются методы контроля за техническим состоянием ферромагнитных материалов, принцип действия которых основан на излучении ультразвуковых (УЗ) волн и их отражении от внутренних дефектов анализируемого объекта. Этот принцип используется для выявления внутренних дефектов уторного шва резервуара [6]. В данной работе проводится анализ методик выявления усталостных трещин и предлагается своя, позволяющая повысить общую эксплуатационную надежность РВС без какого-либо удаления из них хранимых нефтепродуктов.
Особое внимание уделяется контролю за геометрией стенки резервуара. Большое количество работ рассматривает следующие критерии: отклонение образующей стенки от вертикали; наличие дефектов (вмятины, риски, задиры и т.д.) деформации стенки.
Существует устройство для мониторинга за деформациями резервуара с помощью световодов (рис. 1). На основе экспериментальных исследований по определению показаний системы были получены значения деформаций резервуара в зависимости от его нагружения, что впоследствии позволяет оценить остаточный ресурс стенки РВС по числу циклов до образования усталостных трещин.
Преимуществом данного метода является простота конструкции, позволяющей оценивать изменения геометрии
стенки РВС в любое время. Однако использование данной технологии на резервуарах больших объемов будет невозможно, так как световой поток, создаваемый светодиодом, при прохождении по силиконовой трубке будет полностью рассеян и не достигнет фотодиода [7].
На данный момент описанная технология применялась исключительно на лабораторных установках, работоспособность на РВС не проверялась.
Одним из наиболее опасных дефектов, выявляемых на вертикальных стальных резервуарах, является коррозия внутренней поверхности стенки РВС.
Для контроля за течением процесса коррозии было предложено использование индикаторных пластин, размещенных как в самой стенке, так и в слое антикоррозионного покрытия. Для определения наличия пластин используется специальное оборудование, принцип действия которого схож с методом рентгенографического контроля [8].
Рассмотренный метод обладает рядом достоинств, которые позволяют отслеживать состояние внутреннего покрытия в любой момент без вывода резервуара из эксплуатации. Несомненным плюсом данной технологии является низкая стоимость установки, которая не нарушает процесс сооружения резервуара, просто добавляется дополнительный этап в строительстве - установка индикаторных пластин на внутренней поверхности стенки РВС (рис. 2).
Однако данная система не может быть автоматизирована, так как в любом случае необходимо определять большое количество характеристик только при помощи специального оборудования. Принцип действия установки относится к радиационным методам контроля, что не лучшим образом влияет на здоровье человека. В случае установки метки непосредственно в саму поверхность стенки резервуара нарушается сплошность металла, что по истечении некоторого времени приведет к образованию концентрации напряжений. В значительной степени при установке индикаторов на результат влияет человеческий фактор.
I Рис. 1. Схема световода
Рис. 2. Контроль с применением пластинчатых индикаторов: 1 - стенка резервуара; 2 - индикаторная пластина; 3 -внутреннее защитное покрытие стенки резервуара
В случае некачественного нанесения защитного покрытия из-за наличия меток может возникнуть локальная коррозия в месте установки индикатора.
Данная технология не получила широкого применения на резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов.
Определение скорости коррозии для дальнейшего установления безопасного срока эксплуатации резервуара является довольно важным вопросом. Существует метод анализа, основанный на применении тестовых электродов в среде, максимально схожей с той, что образуется в условиях эксплуатации [9]. Данный способ позволяет довольно точно определить скорость развития коррозии на образцах в лабораторных условиях, однако он не учитывает условий эксплуатации, которые с течением времени могут значительно меняться, ускоряя или замедляя процесс разрушения металла стенки резервуара.
В значительной степени изменение толщины стенки с течением времени играет немаловажную роль в ходе анализа эксплуатационных характеристик РВС, поэтому решение вопроса, связанного с непрерывным измерением данного параметра, является актуальной проблемой. Существует метод вихретоковой толщинометрии, позволяющий проводить анализ и контроль за изменением толщины ферромагнитных материалов. Данный метод был применен непосредственно для определения толщины стенки РВС (рис. 3) [10].
Недостатком данного метода контроля является необходимость предварительной настройки данного устройства на эталонных образцах. Существенным недостатком можно считать применимость установки только для резервуаров с небольшой толщиной стенки, так как проникающей способности магнитного излучения может оказаться недостаточно. В случае использования этого устройства на открытом воздухе в постоянном режиме с целью непрерывного мониторинга за изменениями толщины стенки резервуара в обязательном порядке необходимо предусматривать
устройства для защиты обмотки от воздействия окружающей среды.
Еще одним немаловажным параметром, который необходимо контролировать для обеспечения безопасной эксплуатации резервуаров, является геометрическое положение конструкций РВС.
Существует способ определения геометрических несовершенств на поверхностях с применением муарового метода. Выявление дефектов происходит за счет преломления проецируемых на поверхность ряда белых полос и последующего их анализа. На основе данного метода было предложено устройство, применимое для контроля за состоянием внутренней поверхности резервуаров (рис. 4) [11].
Преимуществом данного метода можно назвать автономность проведения контроля за состоянием внутренних поверхностей резервуара. Однако этот метод не может быть применен для вертикальных стальных резервуаров с понтоном без его предварительного демонтажа.
Стоит отметить, что в условиях эксплуатации данный метод не применим: необходима полная зачистка внутренней части резервуара.
В практике по оценке остаточного ресурса конструкций существуют методы анализа, основанные на малоцикловой усталости материалов, находящихся в напряженном состоянии в процессе эксплуатации. Качество полученных в ходе измерения деформаций конструкций исходных данных играет немаловажную роль для точности конечных результатов расчетов.
Существует большое количество устройств, способных производить измерения деформаций. Ставится задача по поиску наиболее эффективного метода измерения. Процесс, описанный в [12] (рис. 5), может быть использован для определения остаточного ресурса РВС на основе анализа малоцикловой усталости стенки резервуара. Патент решает задачу измерения геометрических
Рис. 3. Установка для контроля толщины стенки резервуара вихретоковым методом: 1 - стержневой магнитопровод; 2 - измерительная обмотка; 3 -блок измерения; 4 - возбуждающая обмотка; 5, 8 - источник переменного тока; 6 - ферромагнитное кольцо; 7 - управляющая обмотка; 9 - объект контроля
2 1
Рис. 4. Схема устройства для контроля муаровым методом:
I - труба; 2 - подвижная площадка; 3,4, 5 -электродвигатели; 6 - фотокамера; 7 - проектор;
8 - силовой кабель; 9 - контроллер; 10 - линия связи;
II - компьютер
Рис. 5. Контроль за деформациями резервуара: 1 - экран; 2 - лазерный теодолит; 3 - блок обработки данных; 4 - резервуар
Рис. 6. Схема устройства для измерения деформаций резервуара: 1 -дальномер; 2 - резервуар; 3 - блок сбора информации
Рис. 7. Схема установки акустико-эмиссионных датчиков: 1 -резервуар; 2 - поверхность продукта; 3 - наружные АЭ датчики; 4 - погруженный АЭ датчик; 5 -соединительные кабели; 6 - аппаратура обработки
деформаций поверхности несущей конструкции РВС и может применяться в процессе эксплуатации.
Преимуществом данного метода является простота применяемой технологии, недостатками же выступают следующие критерии: необходимость опорожнения резервуара для получения исходных данных; подверженность влиянию погодных условий; большие временные затраты при проведении замеров и анализа предлагаемым методом с помощью лазерного теодолита; необходимость учета изменения геометрии вследствие перепадов температур.
На практике данный метод широко применим с использованием теодолита.
Существует еще один метод, также рассматривающий вопросы оценки ресурса резервуара по малоцикловой усталости, но с учетом некоторых доработок (рис. 6).
Отличительной особенностью приведенного изобретения является использование лазерного дальномера с датчиком температуры, который устанавливается на внутренней поверхности стенки резервуара. Датчик температуры позволяет провести корректировку точности изменения деформаций стенки при колебаниях температуры [13].
На первый взгляд данный способ размещения устройства и внедрение в него датчика температуры решает большинство проблем, возникших в предыдущем патенте, однако применимость этой системы для резервуаров с понтоном становится невозможной, так как инородные устройства не позволят понтону осуществлять ход по всей поверхности стенки резервуара.
Возникает вопрос с обслуживанием данных устройств. В случае выхода их из строя необходимо полностью выводить
резервуар из эксплуатации с последующей его дегазацией, что ведет к непредвиденным тратам.
Проводя замер расстояния между устройством и противоположной стенкой для вычисления деформаций, данное устройство не учитывает возможность смещения его за счет искривления стенки резервуара под воздействием как гидростатического давления, так и давления насыщенных паров. Это смещение будет довольно сильно влиять на конечный результат вычислений.
Для выявления внутренних дефектов было предложено использовать акустико-эмиссионные (АЭ) датчики, которые позволяют выявлять развивающиеся дефекты. Аппаратура устанавливается на стенке резервуара и находится на ней постоянно во время эксплуатации [14]. Принцип их действия основан на регистрации сигналов, излучаемых дефектами в несущих конструкциях резервуара (рис. 7).
Для предотвращения появления ложных локаций при контроле резервуаров большого диаметра за счет того, что, помимо датчиков акустической эмиссии, установленных на внешнюю поверхность его стенки, дополнительно используют герметичный датчик АЭ, помещаемый внутрь контролируемого резервуара и погружаемый в продукт, которым производится налив резервуара.
Использование датчиков непосредственно во время эксплуатации позволяет непрерывно регистрировать сигналы и вовремя принять меры по предотвращению образования чрезвычайных ситуаций. Локализация места дефекта осуществляется за счет разности времени регистраций сигналов различными датчиками. Определение опасности дефекта осуществляется за счет анализа акустической
I Рис. 8. Аппаратная схема системы мониторинга
Рис. 9. Схема устройства для контроля за осадками фундамента: 1 - репер; 2 -
реперная головка; 3 - штанга; 4 - подкос; 5 - стальная пластина; 6 - анкерный болт; 7 - консоль; 8 - диск; 9 - струна; 10 - натяжной груз; 11 - уровнемер; 12 - фундамент резервуара; 13 - стенка резервуара; 14 - окрайка резервуара
|Рис. 10. Схема устройства диагностирования контура днища: 1 - рефлектометр; 2 -персональный компьютер; 3 - днище РВС; 4 - гидроизоляционный слой; 5 -волоконно-оптический кабель; 6 - линия связи
частоты, излучаемой проблемной зоной. Анализ этих частот дает основание для вывода резервуара из эксплуатации или продолжения его работы.
Минусом данного метода является значительная подверженность посторонним звуковым возбудителям. Также использование датчиков на внутренней поверхности стенки делает невозможным применение данной технологии на РВС с понтоном.
С целью повышения степени безопасности эксплуатации резервуаров была предложена система, направленная на предупреждение превышения предельных деформаций материала РВС, работающая в автоматизированном режиме. Комплекс данных устройств способен регистрировать НДС в контрольных точках резервуара, при этом учитывается температура окружающего воздуха, а также уровень нефтепродукта и давление насыщенных паров. В случае возникновения нештатной ситуации система способна оповестить дежурный персонал о превышении допустимых параметров эксплуатации [15].
Аппаратная часть предлагаемого решения (рис. 8) включает в себя тензорезисторы, термопреобразователи сопротивления, датчики давления, логический контроллер, а также GSM модули для передачи данных на расстояние.
Тензорезисторы за счет изменения их сопротивления при их деформации способны измерять НДС связанных с ними элементов конструкции.
Внедрение данной системы позволит проводить контроль за состоянием резервуара в любой момент, что позволит оперативно реагировать на чрезвычайные ситуации.
Известно также немалое количество патентов, связанных с мониторингом состояния оснований и фундаментов резервуаров. Предлагается большое количество устройств, включающих в свой состав, к примеру, инклинометры, гидростатические нивелиры.
Существует устройство для определения осадок фундамента резервуара с применением репера с закрепленной консолью. Данное решение включает в себя специальный диск с противовесом, установленный предварительно на необходимом уровне
Рис. 11. Структурная схема системы мониторинга «Горизонт»: 1 - контроллер
LoRaWAN; 2 - инклинометр; 3 - гидростатический нивелир; 4 - термокоса; 5 - базовая станция LoRaWAN; 6 - референтная емкость
■ Рис. 12. Автоматическая система мониторинга оснований резервуаров
[16]. В результате осадок происходит вращение диска и регистрация отклонений по показаниям стрелки на измерительной шкале диска (рис. 9).
Главные преимущества данного устройства - низкая стоимость в сравнении с геодезическими приборами, а также полная автономность процесса измерения отклонений. Недостатком является громоздкость конструкции, а также значительная чувствительность к атмосферным воздействиям.
На практике данное устройство не применялось ввиду своих больших габаритов.
Широкое распространение в нефтегазовом секторе получили различные диагностические системы, использующие в своем составе волоконно-оптические кабели. Принцип их действия основан на регистрации деформаций, передаваемых от конструкций к кабелю (рис. 10). Существует устройство, позволяющее проводить анализ деформаций днища резервуара путем анализа механических напряжений кабеля при помощи рефлектометра, который передает информацию на персональный компьютер [17].
Преимуществом данного метода является возможность автономной работы устройства, а также высокая точность получаемых данных. Минусом же системы является сложность обслуживания в случае обрыва волоконно-оптического кабеля. Данные устройства начали применяться на новых резервуарах.
Стоит отметить устройства, предложенные научно-техническим производственным предприятием «Горизонт». Данная система позво-лет контролировать изгибные деформации металлоконструкций резервуаров (рис. 11). Также производится оценка осадок фундаментов, изменения температуры грунтового массива и горизонтальных подвижек грунта [18].
Данная система позволяет производить комплексный анализ технического состояния резервуара и информировать персонал диспетчерской службы о возникновении любых изменений НДС металлоконструкций РВС, а также обнаруживать осадки фундамента на ранней их стадии.
Несомненным преимуществом системы является то, что она позволяет проводить контроль за положением свай, а также анализировать состояние грунтового массива, окружающего фундамент. Однако мониторинг за состоянием свай и ростверка никак не осуществляется, что является существенным недостатком.
Повышение уровня безопасной эксплуатации резервуаров рассматривалось центром СМИС «Базис».
Была предложена система, позволяющая проводить мониторинг профиля деформаций грунтового массива под днищем в процессе опорожнения, наполнения и хранения нефти и нефтепродуктов (рис. 12).
Сбор данных осуществляется инклинометрическими зондами, размещенными в горизонтальных скважинах под РВС, соединенную в измерительную цепь, что позволяет осуществить построение деформационных профилей в постоянном режиме [19].
Система, предложенная СМИС «Базис», обладает такими преимуществами как возможность точного определения деформаций грунтового массива, не влияя на условия эксплуатации; отсутствие загромождения территории РВС, поскольку устройство расположено под резервуаром. Последнее обстоятельство может быть расценено и как недостаток, так как в случае повреждения или выхода из строя одного из инклинометров будет сложно провести ремонт устройства.
Одним из вариантов контроля осадки резервуара может служить скважинный экстензометр (рис. 13). Применение данного прибора позволяет проводить мониторинг осадки
фундамента относительно условно несжимаемых толщ грунтового массива в основании резервуара [20].
Установка прибора производится путем бурения измерительной скважины, затем на полученной глубине устанавливаются якоря. Глубина выбирается из условия минимальных прогнозируемых деформаций. Вторым этапом производится установка измерительного блока на поверхности скважины. Связь между якорем и измерительным блоком обеспечивается с помощью стержня.
На рис. 14 представлена система контроля осадки с использованием трех видов датчиков:
- инклинометр Measurand SAAX (установлен горизонтально и проходит в теле насыпи под резервуаром);
- наклономеры (установлены на поверхности по периметру плиты основания);
- скважинный экстензометр (установлен у места вывода горизонтального инклинометра и соединяется с несжимаемым слоем в основании резервуара).
Применимость этой системы в грунтовых условиях с недостаточной несущей способностью невозможна, так как в данном случае, предусмотрено применение свайного фундамента. Также при значительной глубине заложения несжимаемых грунтов растет и процент погрешности измерений за счет увеличения длины стержня экстензометра.
Лидирующий производитель геодезического оборудования Trimble предлагает комплексы по оценке и мониторингу технического состояния резервуара. Основа их метода -лазерное 3D сканирование при помощи различных сканирующих тахеометров. Дальнейшая обработка полученной информации производится в специализированных программных комплексах, предназначенных для создания 3D модели резервуара по облакам точек и обработки измерений при деформационном мониторинге РВС [21].
Метод, предлагаемый Trimble, безусловно, сегодня является одним из самых передовых. Однако можно выделить ряд недостатков, схожих с теми, что были ранее описаны у других патентов. Данная система не может функционировать в автономном режиме, что является существенным недостатком, не позволяющим оперативно выявлять дефекты конструкций в период эксплуатации резервуара.
Существует система мониторинга состояния резервуаров нефте- и газохранилищ, основанная на применении цифровых инклинометров. Данный комплекс устройств позволяет на ранней стадии развития дефектов сигнализировать об изменениях в эксплуатации РВС (рис. 15) [22] и выявлять контроль неравномерности осадок фундамента и контроль вертикальности образующей стенки резервуара.
Рис. 13. Пример реализации комбинированного подхода мониторинга осадки фундамента резервуара
Рис. 14. Устройство системы мониторинга за осадками резервуара
I Рис. 16. Классификация систем мониторинга технического состояния резервуаров
Рис. 17. Схема предлагаемой системы: 1 - стенка резервуара; 2 - лазерные датчики; 3 - места установки тензорезисторов; 4, 5 - GSM модем; 6 - контрольный пункт; 7 - монитор; 8 - линия передачи информации
В основе устройства лежит применение трех видов инклинометров: кварцевых однокоординатных; двух-координатных; микромеханических двухкоординатных.
Описанная система предполагает размещение инклинометров вдоль внешней образующей стенки резервуара в четырех диаметрально противоположных местах. Информация с датчиков передается при помощи GSM модемов в пункт сбора и анализа данных, где производится непрерывное сравнение показаний с предельно допустимыми значениями в соответствии с нормативными требованиями.
Система также способна формировать прогнозы развития с интервалом в один год.
Преимуществом данной технологии является простота используемых датчиков. Однако анализ только отклонений образующей не дает полной картины НДС стенки резервуара.
Проведенный анализ систем мониторинга технического состояния резервуаров позволил разработать классификацию таких устройств в зависимости от контролируемых параметров и методов контроля технического состояния (рис. 16).
В результате анализа всех перечисленных методов, предлагается система мониторинга технического состояния резервуара, представляющая собой комплексное устройство, состоящее из нескольких видов датчиков, таких как тен-зорезисторы, лазеры (рис. 17), что позволяет произвести комплексный анализ состояния несущих конструкций резервуара.
Рис. 18. Схема расположения тензорезисторов на листах стенки РВС: 1 - четвертый и последующие пояса стенки; 2 - первый, второй и третий пояса стенки; 3 - места расположения тензорезисторов
Рис. 19. Размещение тензорезисторов: 1 - лист стенки
резервуара; 2, 3 - тензорезисторы; 4 - неодимовый магнит
Установка полос тензорезисторов проводится по всей высоте образующей резервуара. Полоса состоит из отдельных тензорезисторов, длина которых равна стандартным размерам датчика. Установка тензорезисторов производится для контроля за образованием геометрических дефектов стенки резервуара, а также для анализа по малоцикловой усталости.
Деформируясь, стенка резервуара либо растянется, либо сожмется. В обоих случаях эта деформация передастся на проволоку тензорезистора, что приведет к изменению его сопротивления. По этим данным можно определить значение фактической деформации, так как изменение сопротивления точно пропорционально деформации части стенки.
Количество отдельныхтензорезисторов вдоль стенки РВС меняется в зависимости от высоты и порядкового номера пояса. Наибольшее количество датчиков предлагается разместить на первых трех поясах резервуара, так как наибольшие деформации возникают именно на этом уровне (рис. 18).
В местах размещения датчиков предлагается устанавливать пары тензорезисторов для контроля деформаций, развивающихся как вертикально, так и горизонтально (рис. 19).
Использование лазерных датчиков необходимо для контроля за вертикальностью стенки резервуара. При большой высоте стенки предлагается использовать не два лазера (в верхней и нижней части стенки), а три (с применением промежуточного). Отклонения будут высчитываться за счет вычисления несовпадения светового потока, создаваемого излучателем, и мишени, принимаемой световой поток.
Количество полос рекомендуется выбирать, исходя из диаметра резервуара.
Все данные предлагается отображать на 3D модели «в прямом эфире».
Установку тензорезистора на поверхность испытуемого образца следует осуществлять с применением неодимовых магнитов (рис. 20). Данный способ отлично подходит для присоединения к металлическим поверхностям, покрытым ЛКП, что позволяет минимизировать повреждение поверхности стенки в период проведения технического обслуживания или ремонта.
Мишени лазерных датчиков предлагается закреплять на неподвижной отмостке РВС для минимизации ее перемещений и повышения как следствие точности полученных результатов. Излучатели размещаются также на стенке резервуара при помощи неодимовых магнитов.
Соединение измерительных датчиков производится с применением проводов, идущих к пункту сбора информации, а далее - к GSM модулю для передачи в контрольный пункт (КП). Приведенный способ передачи информации позволяет минимизировать количество необходимых для подведения к устройству коммуникаций с целью его стабильного функционирования.
После размещения тензорезисторов и проводов их необходимо изолировать от различных воздействий окружающей среды (дождя, снега и т.п.).
В КП происходит преобразование полученной информации в графический вид для удобства считывания, а именно
Рис. 20. Крепление тензорезистора: 1 - подложка тензорезистора; 2 - неодимовый магнит
строится профиль стенки РВС с обозначением деформаций в местах установки тензорезисторов.
Данное устройство работает в автономном режиме, при этом не прерывая эксплуатацию резервуара, а также не влияя на конструкционную надежность РВС, что является существенным преимуществом относительно других похожих технологий.
Применение наиболее целесообразно для резервуаров, эксплуатируемых в районах с высокой сейсмической активностью, а также для резервуаров с тенденцией к развитию износа конструкции.
Заключение
В последнее время организации, эксплуатирующие резервуарные парки, все чаще начинают задумываться о необходимости внедрения комплексов с использованием различных технологий, позволяющих проводить мониторинг технического состояния РВС с целью повышения безопасности хранения нефти и нефтепродуктов. В комплексе с дополнительными датчиками, размещаемыми непосредственно на поверхности резервуара, можно добиться мониторинга «в прямом эфире». При этом вся аппаратура может быть автоматизирована, что снизит вероятность ошибки, исходящей от человека.
Предлагаемая система мониторинга технического состояния резервуара позволяет получать выходной поток данных с высокой точностью ввиду рационального расположения измерительных датчиков. Исходя из статистических данных, наиболее деформируемыми участками РВС являются первые три пояса стенки, что становится причиной размещения тензорезисторов на данном уровне с высокой плотностью в предлагаемом устройстве.
Внедрение предлагаемой технологии будет актуально как для резервуаров, находящихся в эксплуатации не первый год, так и для тех, что были введены в строй совсем недавно. По мере поступления статистических данных о том или ином резервуаре появится возможность экстраполировать данные для формирования прогнозов о состоянии резервуара с выдачей динамического срока предельной эксплуатации, что впоследствии сведет практически к минимуму ситуации, связанные с возникновением аварийных или чрезвычайных ситуаций.
2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дусалимов М.Э., Каримов И.Р., Хасанов И.И. и др.Разработка параметров стационарных крыш с легкосбра-сываемым настилом для вертикальных стальных резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 1. С. 2-3.
2. Каримов И.Р., Дусалимов М.Э., Хасанов И.И. и др. Совершенствование конструкции стационарной крыши с легкосбрасываемым настилом для вертикальных стальных резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 4. С. 51-55.
3. Рекомендации по техническому диагностированию сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов: Руководство по безопасности / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. М.: Техкранэнерго, 2016. 82 с.
4. EstimateTankQualityMargin / lOPConferenceSeries: EarthandEnvironmentalScience (EES), Volume 459, Chapter 2, 2020, 032055, doi:10.1088/1755-1315/459/3/032055. 7 p.
5. Тюрин Д.В., Попова Е.В. Оценка эффективности методов измерения деформаций в моделях резервуаров // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. 2004. С. 103-107.
6. Землянский, А.А. Техническая диагностика и оценка эксплуатационной надежности резервуаров большого объема // Вестник СГТУ. 2005. № 4 (9). С. 111-117.
7. Гайсин Э.Ш., Хайретдинова Д.М., Валеев А.Р. и др. Непрерывный контроль технического состояния резервуара для хранения нефти по фактическому положению стенки с помощью световодов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 2-3. С. 18-22.
8. Патент РФ № 2139523 МПК G01N23/00 Способ контроля коррозии внутренней поверхности резервуара / Бижов В.П. Опубл.: 10.10.1999. Бюл. № 18.
9. Патент РФ № 2549556 MnKG01N17/02 Способ диагностирования аварийного состояния резервуара / Кайдриков Р.А. Опубл.: 27.04.2015. Бюл. № 12.
10. Патент РФ № 11609МПК G01N27/90 Накладной вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля стенок резервуара /
Ильченко В.В., Казаков Е.В., Шмигельский С.С. Опубл.: 16.10.1999. Бюл. № 12.
11. Патент РФ № 2454627 МПК G01B 11/25 Устройство для изучения геометрических несовершенств резервуаров муаровым методом / Кучерюк В.И. Опубл.: 27.06.2012. Бюл. № 18.
12. Патент РФ № 74706МПК G01B5/20 Устройство для измерения геометрической деформации стенки стальных вертикальных резервуаров / Дьяков И.Ф., Сулимов Ю.В., Кошечкин М.В. Опубл.: 10.07.2008. Бюл. № 12.
13. Патент РФ № 2608681 МПК G01B5/20 Устройство для измерения геометрической деформации стенок цилиндрических и сферических резервуаров, заполняемых светлыми нефтепродуктами (газами)/ Артемов В.В. Опубл.: 23.01.2017. Бюл. № 3.
14. Патент РФ № 2265817 МПК G01M3/24 Способ контроля технического состояния резервуара/Лещенко В.В. Опубл.: 10.12.2005. Бюл. № 34.
15. Иванов А.Р., Большев К.Н. Автоматизированная система мониторинга технического состояния резервуаров // Наука и техника в Якутии. 2021. № 2. С. 23-26.
16. Патент РФ № 182926МП^01С 15/08 Приспособление по измерению осадки фундамента стального резервуара / Кульков М.С. Опубл.: 09.06.2018. Бюл. № 25.
17. Патент РФ № 156736 МПК E02D 27/38. Устройство диагностирования контура днища резервуара с использованием волоконно-оптического кабеля / Матвеев Ю.А. Опубл.: 20.11.2015. Бюл. № 29.
18. Система мониторинга резервуаров хранения нефтепродуктов URL: https://www.ntpgorizont.ru/storage/ (дата обращения 02.10.2021).
19. Система мониторинга резервуаров URL: https://basis-smis.ru/smr (дата обращения 02.10.2021).
20. Способы автоматизированного контроля осадки резервуара URL: https://www.sodislab.com/ru/blog/storage-tanks-settlement (дата обращения 02.10.2021).
21. Мониторинг резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов URL: https://trimble.club/monitoringh-rieziervuarov-dlia-khranieniia-niefti-i-nieftieproduktov/ (дата обращения 02.10.2021).
22. Система СМИК для нефтерезервуаров URL: https://bau-monitoring.ru/katalog/sistema-smik-dlya-nefterezervuarov/ (дата обращения 02.10.2021).
REFERENCES
1. Dusalimov M.E., Karimov I.R., Khasanov I.I. Development of parameters of stationary roofs with easy-to-reset flooring for vertical steel tanks. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 1, pp. 2- 3 (In Russian).
2. Karimov I.R., Dusalimov M.E., Khasanov I.I. Improving the design of a stationary roof with easy-to-reset flooring for vertical steel tanks. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 4, pp. 51-55 (In Russian).
3. Rukovodstvo po bezopasnosti «Rekomendatsii po tekhnicheskomu diagnostirovaniyu svarnykh vertikal'nykh tsilindricheskikh rezervuarov dlya nefti i nefteproduktov»: utv. Prikazom Federal'noy sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu iatomnomu nadzoru ot 31 marta 2016g. № 136 [Safety Guide "Recommendations for technical diagnostics of welded vertical cylindrical tanks for oil and oil products": approved by Order of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision dated March 31, 2016 No. 136]. Moscow, Tekhkranenergo Publ., 2016. 82 p.
4. Estimate tank quality margin. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (EES), 2020, vol. 459, 7 p.
5. Tyurin D.V., Popova YE.V. Estimation of the effectiveness of methods for measuring deformations in reservoir models. Neft i gaz. Novyye tekhnologii v sistemakh transporta, 2004, pp. 103-107 (In Russian).
6. Zemlyanskiy, A.A. Technical diagnostics and evaluation of the operational reliability of large volume tanks. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2005, no. 4 (9), pp. 111-117 (In Russian).
7. Gaysin E.SH., Khayretdinova D.M., Valeyev A.R. Continuous monitoring of the technical condition of an oil storage tank based on the actual position of the wall using light guides. Transport ikhraneniye nefteproduktovi uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 2-3, pp. 18-22 (In Russian).
8. Bizhov V.P. Sposob kontrolya korrozii vnutrenney poverkhnosti rezervuara [Method for controlling corrosion of the inner surface of the tank]. Patent RF, no. 2139523, 1999.
9. Kaydrikov R.A. Sposob diagnostirovaniya avariynogo sostoyaniya rezervuara [Method for diagnosing the emergency state of the reservoir]. Patent RF, no. 2549556, 2015.
10. Il'chenko V.V., Kazakov YE.V., Shmigel'skiy S.S. Nakladnoyvikhretokovyypreobrazovatel' dlya nerazrushayushchego kontrolya stenok rezervuara [Attachable eddy current transducer for non-destructive testing of tank walls]. Patent RF, no. 11609, 1999.
11. Kucheryuk V.I. Ustroystvo dlya izucheniya geometricheskikh nesovershenstv rezervuarov muarovym metodom [Device for studying the geometric imperfections of reservoirs by the moiré method]. Patent RF, no. 2454627, 2012.
12. D'yakov I.F., Sulimov YU.V., Koshechkin M.V. Ustroystvo dlya izmereniya geometricheskoy deformatsii stenki stal'nykh vertikal'nykh rezervuarov [Device for measuring the geometric deformation of the wall of steel vertical tanks]. Patent RF, no. 74706, 2008.
13. Artemov V.V. Ustroystvo dlya izmereniya geometricheskoy deformatsii stenok tsilindricheskikh i sfericheskikh rezervuarov, zapolnyayemykh svetlyminefteproduktami (gazami) [Device for measuring the geometric deformation of the walls of cylindrical and spherical tanks filled with light oil products (gases)]. Patent RF, no. 2608681, 2017.
14. Leshchenko V.V. Sposob kontrolya tekhnicheskogo sostoyaniya rezervuara [Method for monitoring the technical condition of the reservoir]. Patent RF, no. 2265817, 2005.
15. Ivanov A.R., Bol'shev K.N. Automated system for monitoring the technical condition of tanks. Nauka i tekhnika v Yakutii, 2021, no. 2, pp. 23-26 (In Russian).
16. Kul'kov M.S. Prisposobleniye po izmereniyu osadki fundamenta stal'nogo rezervuara [Device for measuring the settlement of the foundation of a steel tank]. Patent RF, no. 182926, 2018.
17. Matveyev YU.A. Ustroystvo diagnostirovaniya kontura dnishcha rezervuara s ispol'zovaniyem volokonno-opticheskogo kabelya [Device for diagnosing the contour of the bottom of the tank using a fiber-optic cable]. Patent RF, no. 156736, 2015.
18. Sistema monitoringa rezervuarov khraneniya nefteproduktov (Monitoring system for oil storage tanks) Available at: https://www.ntpgorizont.ru/storage/ (accessed 2 October 2021).
19. Sistema monitoringa rezervuarov (Tank monitoring system) Available at: https://basis-smis.ru/smr (accessed 2 October 2021).
20. Sposoby avtomatizirovannogo kontrolya osadki rezervuara (Methods for automated control of tank settlement) Available at: https://www.sodislab.com/ru/blog/storage-tanks-settlement (accessed 2 October 2021).
21. Monitoring rezervuarov dlya khraneniya nefti i nefteproduktov (Monitoring of storage tanks for oil and oil products) Available at: https://trimble.club/monitoringh-rieziervuarov-dlia-khranieniia-niefti-i-nieftieproduktov/ (accessed 2 October 2021).
22. Sistema SMIK dlya nefterezervuarov (SMIK system for oil reservoirs) Available at: https://bau-monitoring.ru/katalog/ sistema-smik-dlya-nefterezervuarov/ (accessed 2 October 2021).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Киселев Максим Александрович, студент, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Каримов Ильяс Радикович, студент, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Дусалимов Марсель Эдуардович, к.т.н., доцент кафедры
проектирования и строительство объектов нефтяной и газовой
промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический
университет.
Хасанов Ильнур Ильдарович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Кантемиров Игорь Финсурович, д.т.н., профессоркафедры проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Maxim A. Kiselev, Student, Ufa State Petroleum Technical University. Ilyas R. Karimov, Student, Ufa State Petroleum Technical University. Marsel E. Dusalimov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Design and construction of oil and gas industry facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
Ilnur I. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Igor F. Kantemirov, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Design and construction of oil and gas industry facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
